微波干燥过程中苹果切片的热质传递分析

王美霞，刘斌，王超，吴子健

（1.天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津300134）

微波干燥过程中苹果切片的热质传递分析

王美霞1，刘斌1，王超1，吴子健2

（1.天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津300134）

微波干燥苹果切片的过程中，在线实时测定样品质量和温度，并进一步检测干燥后样品的微观结构变化，分析其微波干燥过程中温度与质量的动态变化规律。结果表明：干燥至相对含水率为30%时仅物料中部断切面出现焦糊现象，干燥至相对含水率为15%时物料表面出现焦糊现象，而其断切面处焦糊现象加重；微波干燥过程中物料温度变化分为快速升温段、恒温段和慢速升温阶段，并且微波腔内温度整体上随功率增加而增加；功率一定时，物料脱水主要发生在失重率恒速升高段，0.60 kW下该阶段使不同厚度的物料（厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm时）分别失水42.39%、48.29%和49.40%，0.80 kW下该阶段分别失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下该阶段分别失水46.95%、64.72%和62.59%。

微波干燥；相对含水率；干燥功率；物料厚度

果蔬脆片是一种日益受到消费者欢迎的风味休闲食品，不仅松脆可口，而且很大程度上保留了果蔬原有的色、香、味，同时富含膳食纤维，具有广阔的生产潜能和消费潜能。目前生产果蔬脆片的干燥方式主要有热风干燥、远红外干燥和真空冷冻干燥等，其中远红外干燥和真空冷冻干燥干制品质量虽好，但投资成本高，而传统热风干燥则存在干燥时间长、能耗大以及干燥成品品质不稳定等问题[1]，这些问题都极大地限制了果蔬脆片生产加工的规模化、集约化以及节能等效率的提升。由于微波干燥技术的干燥速度快、热效率高、加热均匀等优点[2]，其在农业生产和食品加工[3]等领域也越来越受到重视，特别在粮食（如稻谷[4]、小麦[5]、玉米[6]等）、蔬菜（如豌豆[7]、洋葱[8]、花椒[9]等）和水果（黄桃[10]、荔枝[11]等）等的干燥方面都已得到较为深入的研究，有些已能成功应用于实际生产。为探究苹果切片在微波干燥过程中干燥功率、温度与样品含水率之间的关系，优化微波干燥工艺，本文利用可在线称重与测温的微波干燥系统分析对比干燥至不同相对含水率的苹果切片的微观结构变化，总结其热质传递规律，得到苹果脆片微波干燥过程的工艺基础参数。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1）试验苹果产自烟台栖霞，选择大小均匀、无机械损伤、成熟度一致、无病虫害的苹果按照要求备用。

2）光学显微镜：BX51型光学显微镜（UIS2光学系统，放大范围：100～1 000倍）：日本奥林巴斯株式会社。

3）微波干燥系统：微波干燥系统由本实验室按可实时测定样品质量与温度的原则设计搭建，主要包括：微波干燥装置部分、在线称重装置部分和在线测量温度装置部分，系统工作周期为10 s（其中微波工作5s，称重：5s），图1为该系统的装置示意图。

图1 微波干燥系统装置示意图Fig.1 The equipment diagram of microwave-drying system

其中，微波干燥装置主要为DZGC-2型微波炉（功率可调为0.20、0.40、0.60、0.80、1.00kW；频率为 2450MHz±50MHz），包括内部微波腔、微波磁控管、排风设备（图1未画出）和外部表壳；在线称重设备主要是BL-220H型电子秤（精度：0.001 g，最大量程：220 g）；在线测温设备主要是bayspec型光纤测温系统（最大量程：120℃，测量精度：0.01℃，误差范围：≤±0.5℃，陶瓷探头直径：0.14cm，裸纤直径：0.01 cm）。

1.2 方法

1.2.1 干燥过程中细胞微结构变化的观察

设定微波装置功率为0.60 kW，对切好的苹果片（长×宽×高=4.00 cm×4.00 cm×1.00 cm）进行微波干燥，直至样品相对含水率分别达到60%、45%、30%和15%，然后利用光学显微镜观察样品切片表面以及中部断切面的细胞结构变化。

其中，利用称重法测量苹果切片的相对含水率，计算公式如下：

式中：m0为新鲜苹果切片质量，kg；m1为切片完全干燥后质量，kg；c0为新鲜苹果切片的绝对含水率，%；x为切片在干燥过程中失去的质量，kg，实验中默认失去的是水分；cx为干燥过程中苹果切片的相对含水率，%。

1.2.2 干燥过程中温度变化的测定

将若干苹果切片（横截面积均为4.00 cm×4.00 cm，厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和0.12 cm）按照厚度不同分为三组，每组均利用不同微波功率（0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW）分别将物料干燥至原重量的30%，干燥过程中采用光纤测温并实时记录。防止细胞应力对温度测量产生影响，利用陶瓷包裹光纤探头进行封装，此时探头直径约为0.14 cm，将探头分别布置于0.40 cm厚的物料重心处、0.80 cm和0.12 cm厚的物料表面以及中部断切面中心处。为防止干燥过程中物料温度过高导致品质变差，设定微波设备温度上限为120℃，当温度达到此上限时，调节功率至0.40 kW，此时物料对流换热大于物料内热源吸热量，物料温度降低；当温度降低至60℃时，调节至之前功率（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）。

1.2.3 干燥过程中质量的实时测定

干燥过程中物料的质量变化与其温度变化同时测定，实验设定当每块物料重量干燥至原重量的30%时，即达到微波干燥要求，本次干燥实验结束。

2 结果与分析

2.1 干燥至不同相对含水率的物料微观结构变化与分析

设定微波功率为0.60 kW时，干燥至不同相对含水率的苹果切片表面及其中心的微结构变化如图2所示。它表征了整个干燥过程中物料微观结构的动态变化。

图2 干燥过程中不同相对含水率时苹果切片的微结构Fig.2 The microstructure of apple in different water contents under in process of microwave drying

由图2可知，新鲜的苹果细胞呈椭圆形，且细胞之间排列紧密，相互挤压。当干燥至60%的相对含水率时，物料表面细胞破损，部分细胞因失水而萎蔫变小，且其表面存在较多液态水，即出现“增湿”现象，这是由于此时物料温度上升至100℃左右，表面水分开始迅速蒸发，物料内外压差增大，则水分迁移的驱动力增加，物料内部水分迁移速度高于表面水分蒸发速度所导致；相比物料表面，物料中心处的干燥程度略微明显。当干燥至45%的相对含水率时，物料表面细胞部分破裂、坍塌至扁平状，未破裂细胞也因失水而变小；物料中心处的干燥程度与之相比较大，细胞失水更为严重，大部分因破裂而呈平面状，此时中心处细胞的完整度低于表面。当干燥至30%的相对含水率时，物料表面细胞几乎扁平，细胞内有少量的液态水；而物料中心处细胞内部产生轻微的焦糊现象，组织中出现孔洞。当干燥至15%的相对含水率时，物料表面细胞出现轻微的孔洞，表明物料表面开始焦糊；而中心处出现比较清晰的、较多的孔洞，其焦糊程度远大于表面细胞。

通过微观分析整个干燥过程中物料结构的动态变化，可知微波干燥中传热和蒸汽压迁移方向一致，均为由内向外进行。在微波干燥过程中，吸收了微波能的表面细胞水蒸汽由于物料表面较小的束缚力能够相对容易地蒸发扩散至环境中，而物料内部细胞水蒸气由于受到细胞间组织结构等形成的较大扩散阻力需要克服，较大的水蒸气压导致其细胞破裂程度较物料表面大。随着干燥过程继续进行，物料含水率减少，其水分蒸发消耗的微波能有限，大部分微波能则用于物料温度的升高，然而，由于物料内部水分蒸发量减少，其热量排出不及时，导致内部温度高于外部温度，进而导致内部首先出现焦糊现象，至干燥结束后，内部焦糊程度大于外部焦糊程度。因此，利用微波干燥工艺进行生产加工时，控制物料内部出现焦糊现象是干燥成功与否的关键因素。

2.2 不同微波功率下物料温度的变化与分析

不同厚度的苹果切片在不同微波功率（0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW）干燥下的温度变化如图3所示。

其中，图a以厚度为0.40 cm的物料为例，重点对干燥过程中样品整体温度及腔内温度的变化进行分析，图b、c分别以厚度为0.80 cm和1.20 cm的物料为例。由图a、b和c可知，干燥前期物料温度随时间的变化主要分为三段：第一阶段，即迅速升温段，该阶段物料温度迅速升高至100℃左右，其吸收的微波能主要用来升高温度，并且物料内水分开始向水蒸气状态转化；第二阶段，即恒温段，该阶段物料温度维持在100℃左右，这是因为该阶段物料水分开始蒸发，带走的大量蒸发潜热与物料吸收的微波能基本一致；第三阶段，即慢速升温阶段，当物料吸收的能量大于水分蒸发所带走的潜热时，其温度开始上升。后期，由于微波设备温度上限的设定，用于干燥的微波功率有所调整，物料温度表现为缓慢降低之后又迅速升高。

图3 微波干燥过程中不同厚度的苹果切片温度随时间的变化Fig.3 The variation of different thickness apple slice temperature with time during microwave drying

由a中左侧图可知，微波功率越大，物料温度上升至100℃所用的时间就越短，恒温段保持时间越短。当物料厚度为0.40 cm，干燥功率分别为0.60 kW、0.80 kW和1.00 kW时，其迅速升温段所用时间分别为80 s、50 s和30 s，0.60 kW下恒温段结束时间分别约为0.80 kW和1.00 kW的6倍和1.7倍。由a中右侧图（干燥过程由开始至500 s时腔内温度的对应变化图）可知，干燥过程进行至70 s时，微波腔内温度大小顺序为T0.60kW＜T0.80kW＜T1.00kW；而干燥过程进行至70 s之后，T1.00kW接近120℃，因此微波功率降低为0.40 kW，物料吸收的微波能减少，温度降低，可排出蒸汽量随之减少，导致其微波腔内温度低于T0.80kW。干燥过程持续进行，物料水分蒸发到环境空气中，当水分蒸发到腔内产生的能量与腔体排出的能量平衡，即qvhv=qaha时，腔内温度开始保持恒定，其中qv和qa分别表示的是单位时间内物料排放到腔内的蒸汽质量和腔体的单位棑湿量，hv和ha分别表示的是蒸汽比焓和排出腔体的蒸汽比焓。在整个干燥过程中，腔内温度的整体水平是：

T0.60kW＜T0.80kW＜T1.00kW。

比较图b、c可知，相同功率下物料厚度越大，升温段持续时间越长。同时，相同微波功率下，不同厚度物料的中心温度均整体上高于表面温度，这与“物料内部首先出现焦糊现象，至干燥结束后内部焦糊程度大于外部焦糊程度”的原因一致，并且物料厚度越大，中心与表面温度差越大，对微波干燥的均匀性影响越明显。

2.3 不同微波功率下物料质量的变化与分析

不同微波功率下物料失重率随干燥时间的变化如图4所示，其中右下角小图是对应大图方框内的放大图。

由图4可知，整个干燥过程中失重率的动态变化主要分为三个阶段：快速升高阶段、恒速升高阶段和慢速升高阶段。干燥功率分别为0.60 kW和0.80 kW时，失重率变化的三个阶段对应时间点分别与其温度变化的三个阶段时间点重合；而干燥功率为1.00 kW时，失重率变化的第一阶段到第二阶段的转折时间点与其温度变化过程中功率第一次被调低的时间点一致，这是因为1.00 kW下该阶段的物料能够接收到更多的微波能，同时水分蒸发带走的潜热量有限，因此物料吸收的总热量大大增加，温度迅速上升至120℃后微波功率被迫下降至0.40 kW，但此时物料内的较多水分已从升温转化为水蒸气状态，故失重率由快速升高状态转为恒速升高。特别地，物料厚度为0.40 cm时，以设定功率（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）进行干燥的初始阶段，其质量减小速率为：V0.60kW＜V0.80kW＜V1.00kW；之后，1.00 kW下的物料温度首先升至温度上限120℃时，其微波功率被迫降低至0.40 kW，而0.80 kW下的物料仍以0.80 kW进行干燥并首先进入恒速阶段，故此时V0.80kW＞V1.00kW；紧接着当0.80 kW下的物料温度达到上限120℃时，其干燥功率降低至0.40 kW下继续进行干燥，因此V1.00kW得以超过V0.80kW。

图4 微波干燥过程中不同厚度的苹果切片质量随时间的变化Fig.4 The variation of different thickness apple slice mass with time during microwave drying

由图4可知，相同微波功率下（0.60 kW、0.80 kW或1.00 kW）失重率由第二阶段向第三阶段的转折点值随着厚度增加而增加，其中物料厚度分别为0.40 cm和0.80 cm时，两者的该转折点失重率值差距较大，物料厚度分别为0.80 cm和1.20 cm时，两者的该转折点值差距较小。物料厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm时，0.60 kW下的该转折点失重率值分别为47.39%、53.29%和54.40%，0.80 kW下的该转折点失重率值分别为50.23%、53.95%和54.01%，1.00 kW下的该转折点失重率值分别为47.45%、65.22%和63.09%。然而，相同微波功率下失重率由第一阶段向第二阶段的转折点值随厚度增加而增加的差异并不明显，物料厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm时，0.60 kW下的该转折点失重率值均约为5.00%，0.80 kW下的该转折点失重率值均约为1.00%，1.00 kW下的该转折点失重率值均约为0.50%。故物料厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm时，0.60 kW下的失重率恒速升高阶段使物料分别失水42.39%、48.29%和49.40%，0.80 kW下的失重率恒速升高阶段使物料分别失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下的失重率恒速升高阶段使物料分别失水46.95%、64.72%和62.59%，由此表明微波功率一定时，物料的失水主要发生在失重率恒速升高阶段。

3 结论

1）苹果的组织细胞呈椭球形，相对较大、分布较均匀。在微波干燥过程中细胞易被水分瞬间蒸发所产生的蒸汽压涨破从而坍塌，且物料中心细胞破损程度要高于表面细胞破损程度。干燥至相对含水率为30%时仅物料中部断切面出现焦糊现象，干燥至相对含水率为15%时表面出现焦糊现象，而其断切面处焦糊现象加重。

2）苹果微波干燥过程中温度变化分为快速升温段、恒温段和慢速升温阶段，并且微波腔内温度整体上随功率增加而增加；失重率变化分为快速升高段、恒速升高段和慢速升高段，当分别以0.60 kW和0.80 kW进行干燥时，物料温度和质量的变化阶段转折点趋于相同。

3）物料厚度越大，同一功率下失重率由恒速升高段向慢速升高段的转折点变化差异越不明显，当厚度分别为0.40 cm、0.80 cm和1.20 cm时，0.60 kW下的差异值分别为5.9%、1.11%，0.80 kW下的差异值分别为3.72%、0.06%，1.00 kW下的差异值分别为17.77%、-2.13%。

4）功率一定时，物料的失水主要发生在失重率恒速升高段，0.60 kW下该阶段使不同厚度的物料（厚度分别为0.40cm、0.80cm和1.20cm时）分别失水42.39%、48.29%和49.4%，0.80 kW下的使物料分别失水49.23%、52.95%和53.01%，1.00 kW下的使物料分别失水46.95%、64.72%和62.59%。

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Heat and Mass Transfer Analysis of Apple Slice during Microwave Drying

WANG Mei-xia1，LIU Bin1，WANG Chao1，WU Zi-jian2
（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China；2.College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Tianjin 300134，China）

The microwave-drying system with real-time weight and temperature measurement device was used to dry apple slice under different power，then variation of materials microstructure under different relative water content，and dynamic law of temperature and mass during drying were analyzed.Results show that：when relative water content was 30%，coke phenomenon occurs only in material central section，and when it was 15%，coke phenomenon appears on the surface，while more serious phenomenon was in the central section.The temperature variation of the material is divided into the rapid rise stage，the constant stage and the slow rise stage，and the temperature inside the microwave cavity increases as the power increases during microwave drying.Material dehydration occurs mainly in constant rise stage of weight loss rate when the power was certain，when the thickness is 0.40 cm，0.80 cm and 1.20 cm，respectively，corresponding water loss was 42.39%，48.29%and 49.40%under 0.60 kW，that was 49.23%，52.95%and 53.01%under 0.80 kW，and that is 46.95%，64.72%and 62.59%under 1.00 kW.

microwave drying；relative moisture content；drying power；material thickness

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.003

武清区科技发展项目“蔬菜预冷和贮藏保鲜设施改良与先进技术集成示范工程”（WQKJ201633）

王美霞（1992—），女（汉），在读硕士研究生，主要从事制冷系统优化及节能技术的研究。

2017-09-03